一种电磁控制的介入手术系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电磁控制的介入手术系统及方法，系统包括患者端和操作者端；操作者端是基于计算机图形学渲染技术和实时物理仿真方法构建的程序展示的虚拟手术环境，并由操纵杆等设备接收用户输入；患者端包括线圈阵列、磁性可控导丝、视觉输入设备、边缘计算设备和嵌入式控制设备。本发明专利技术首先是计算得到的各个线圈通过单位强度电流时的磁场矢量来构建磁控系统线性动力学方程的系数矩阵；再根据此系数矩阵，使用Moore

【技术实现步骤摘要】
一种电磁控制的介入手术系统及方法


[0001]本专利技术属于结合可视化的计算机辅助手术
，涉及一种人机交互与计算学图形学的建模、渲染、实时物理仿真系统及方法，特别涉及一种面向介入手术的磁控电流控制算法和手术系统。

技术介绍

[0002]介入治疗是一种新兴的心血管病治疗方式，并迅速成为这一领域的流行治疗手段。文献[1]定义介入治疗手术是指通过医学影像设备(如DSA)的导引，将特制的导管、导丝等精密医学器械引入人体，对体内病态进行诊断，对病灶进行局部治疗。其作为微创外科的一个分支已成为与传统内科、外科并列的医学的第三大支柱。另外，机器人技术、计算机技术和通信技术的广泛发展，极大地促进了相关技术在医学外科学中的应用。文献[2]通过对相关技术的研究进行总结，指出计算机辅助方法可以为外科医生提供增强的灵活性、增强的可视化和触觉感知能力，增强手术的一致性，消除传统手术和介入器械的操作难点，提高介入手术的安全性。
[0003]介入手术也存在明显弊端：(1)医学影像导航设备会发射出X光，医生长时间暴露在X光辐射下会收到伤害[3]；(2)医生进行介入手术的操作能力非常依赖手术实践的经验，培养一名合格医生的难度大、成本高，且基于活体动物的训练存在生命伦理问题[4]。特别的，传统的介入手术实施过程中的最大挑战是导丝前端的弯曲指向。使导丝前端在血管中向指定方向弯曲需要医生具备经过长期的手术训练所获得的经验与手感，因此，培养一名熟练的介入手术医生是一个长期且费用高昂的过程。
[0004]计算机辅助系统控制的导丝与医生操作的导丝相比具备主动导向能力，目前面向介入手术的导丝操作有两种主流方法：通过机械传动方法进行控制和通过磁驱动进行无接触式控制。
[0005]对于机械式传动控制的方法，文献[5]介绍了一种远程导航系统，包括一个计算机控制的导丝和导航系统。该系统包括一个装有触摸屏监视器的操作模块、一个作为输入设备的操纵杆和一个由导丝机械驱动的病人模块。文献[5]通过操纵杆和触摸屏对导丝进行操纵，通过机械传动模块实现导丝的轴向和旋转运动。文献[6]从固体力学的第一原理出发，介绍了肌腱驱动的连续式机械手的力学模型，并在此基础上开发了一种可操纵的心导管。机械式传动控制的不足之处在于，由于导管的直径限制在毫米，使用机械结构很难实现对纤细导丝的精确控制。因此，磁驱动控制被认为是另一个更有应用前景的解决方案。目前，研究者们对磁场在介入手术中的应用进行研究并展示了磁控方法的可行性与广阔应用前景。文献[7]提出了一种远程控制机器人导管系统，用于电生理测绘和射频消融。它由2个电脑控制的永磁体位于患者两侧，一个马达驱动导管前后移动。与机械方法相比，磁驱动导丝更灵活，可以制成比冠状动脉更小的导丝。与本专利技术相比，磁场的生成和驱动方式不同，相较于文献中利用的永磁体驱动，本专利技术中提出的动态电流控制方法精度更准确、反应更迅速。
[0006]在磁场计算领域，目前已有成熟的商业软件可以使用，如ANSYS Maxwell和COMSOL(文献[8])。这些软件可以在模型网格上精确地计算任意拓扑结构的线圈阵列所产生的磁场从而分析其磁场特性，但是它们都基于有限元分析和有限差分法之类需要很大计算量的离散数值方法，求解一个场景的稳态磁场分布需要的计算时间往往多至数个小时，远远不能满足介入手术对动态磁场计算的实时性需求(文献[9
‑
10])。
[0007]参考文献
[0008][1]卢旺盛,刘达,田增民,&张大鹏.(2009).血管介入手术机器人的关键技术分析.生物医学工程研究,28,303
–
306.https://doi.org/10.19529/j.cnki.1672
‑
6278.2009.04.017.
[0009][2]Menaker,S.A.,Shah,S.S.,Snelling,B.M.,Sur,S.,Starke,R.M.,&Peterson,E.C.(2018).Current applications and future perspectives of robotics in cerebrovascular and endovascular neurosurgery.Journal of Neuro Interventional Surgery,10(1),78
–
82.https://doi.org/10.1136/neurintsurg
‑
2017
‑
013284.
[0010][3]Hasan,F.,&Bonatti,J.(2015).Robotically assisted percutaneous coronary intervention:Benefits to the patient and the cardiologist.Expert Review of Cardiovascular Therapy,13(11),1165
–
1168.
[0011]https://doi.org/10.1586/14779072.2015.1091725.
[0012][4]Li,S.,Guo,J.,Wang,Q.,Meng,Q.,Chui,Y.P.,Qin,J.,&Heng,P.A.(2012).A catheterization
‑
training simulator based on a fast multigrid solver.IEEE Computer Graphics and Applications,32(6),56
–
70.https://doi.org/10.1109/MCG.2012.32.
[0013][5]Beyar,R.,Gruberg,L.,Deleanu,D.,Roguin,A.,Almagor,Y.,Cohen,S.,Kumar,G.,&Wenderow,T.(2006).Remote
‑
Control Percutaneous Coronary Interventions.Journal of the American College of Cardiology,47(2),296
–
300.https://doi.org/10.1016/j.jacc.2005.09.024.
[0014][6]Camarillo,D.B.,Milne,C.F.,Carlson,C.R.,Zinn,M.R.,&Salisbury,J.K.(2008).Mechanics modeling of tendon
‑
driven continuum manipulators.IEEE Transactions on Robotics,24(6),1262
–
1273本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电磁控制的介入手术系统，其特征在于：包括患者端和操作者端；所述患者端包括线圈阵列、磁性可控导丝、影像采集设备、边缘计算设备和嵌入式控制设备；所述线圈阵列，用于在所述磁性可控导丝前端产生所需偏转力，最终令所述磁性可控导丝偏转至操作者端指定的位置和角度；所述边缘计算设备，用于根据所述磁性可控导丝位置信息求解控制电流配置；所述嵌入式控制设备，用于根据所述边缘计算设备计算所得的控制电流配置，并根据求出的电流配置解向所述线圈阵列输出给定的电流值；所述操作者端包括：远程操作杆和图形工作站；所述远程操作杆，用于获取医生发出的述磁性可控导丝转向的输入指令，传入所述边缘计算设备中，结合述磁性可控导丝位置信息求解控制电流配置；所述图形工作站，用于通过“建模、模拟及渲染”工作流程将虚拟手术场景显示在屏幕上；所述患者端和操作者端之间通过计算机网络耦合，能基于多种网络协议进行通信。2.根据权利要求1所述的电磁控制的介入手术系统，其特征在于：所述线圈阵列中线圈个数为3个及以上，阵列为可扩展阵列；所述线圈无铁芯，每个线圈由单独的H桥通道驱动，能输出正负两向电流值，通过配置各个线圈所通的电流值，来产生所需电磁场，且每个线圈的位置和姿态均能自由调节；线圈阵列整体通过多路H桥模块驱动，每个线圈的电流值都单独进行控制。3.根据权利要求2所述的电磁控制的介入手术系统，其特征在于：所述H桥通道使用一对频率、电压相同、互补的高频脉冲来控制实际的电流输出方向和电流值，以实现对线圈电流大小和方向的快速精确调整。4.根据权利要求1所述的电磁控制的介入手术系统，其特征在于：所述磁性可控导丝，由磁性头部和无磁导丝两部分组成；所述磁性头部，为圆柱体，或者为半球与圆柱组合体；所述无磁导丝，是由弹性材料制作的管体，管体内填充有硬磁材料；所述硬磁材料在外加强磁场中沿轴向被磁化，在退磁后仍能保留磁性，磁滞曲线形状更宽。5.根据权利要求1
‑
4任意一项所述的电磁控制的介入手术系统，其特征在于：所述磁性可控导丝，头部为磁性材料填充，外壁上设置有水凝胶。6.一种电磁控制的介入手术方法，其特征在于：边缘计算设备计算所得的控制电流配置，首先计算单个线圈在空间一点x的磁场强度，然后计算整个线圈阵列的磁场矢量；通过平衡态方程计算对磁性可控导丝所需要施加的力和需要生成的对应磁场强度，通过获得的各个线圈生成的磁场强度，构建关系矩阵A＝[B
1 B2...B
N
]；通过奇异值矩阵分解方法A＝V∑W
H
得到关系矩阵的Moore
‑
Penrose广义逆其中，V、∑、W分别通过标准奇异值矩阵分解方法得到的矩阵，V是3
×
3阶的幺正矩阵，∑是3
×
N阶非负实数对角矩阵，W是N
×
N阶幺正矩阵，H表示复矩阵的共轭转置操作，V
H
＝(V
*
)
T
；则磁控物理系统的线性稳态方程形式为：αF＝AI，其中α是一与磁性可控导丝弹性模...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁志勇，单楚栋，赵俭辉，杜博，唐安科，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：